Ciclo combinado com gaseificação integrada

Uma planta de energia em ciclo combinado de gaseificação integrada (IGCC) pode utilizar combustíveis sólidos, tais como carvão . Esse tipo de planta é caracterizado por uma operação de gaseificação , que converte a matéria-prima em um gás combustível ( syngas ) que alimenta uma usina de ciclo combinado .

Princípio da Operação

O combustível é primeiro reduzido a grãos, depois injetado em um gaseificador, na presença de oxigênio e vapor d'água . O oxigênio não é abundante o suficiente para permitir a combustão completa. Várias reações ocorrem: combustão parcial (que em particular dá monóxido de carbono ), pirólise que quebra as moléculas do combustível e reação com vapor de água que produz monóxido de carbono e hidrogênio.

O oxigênio é isolado por uma unidade criogênica de separação de ar.

Na saída do gaseificador, é obtido um gás de síntese composto em particular de CO, CO 2 , H 2 , H 2 S. Este gás é resfriado e então tratado, em particular a poeira é filtrada e o enxofre removido por produtos químicos absorção. As cinzas do gaseificador também são tratadas, o que permite principalmente a recuperação de metais pesados.

Em seguida, o gás de síntese tratado é usado como combustível para a própria usina de ciclo combinado: uma ou mais turbinas a gás cujos gases de exaustão alimentam uma caldeira conectada a uma turbina a vapor , que também recupera o calor da turbina a gás resfriamento do gaseificador.

Equilíbrio energético

Aqui está um exemplo de balanço energético, o da planta espanhola PIEMSA, todos os valores sendo reduzidos a 100 para a energia do combustível de entrada. Os números exatos variam de uma estação para outra. Essa usina produz hidrogênio além de eletricidade, o que complica um pouco o balanço patrimonial. Ele usa um resíduo do refino de petróleo como combustível .

Valor calorífico do combustível de entrada: 100 ( valor calorífico inferior ).
Valor calórico do gás de síntese: 83,7
Valor calórico do gás de síntese tratado enviado às turbinas a gás: 74,4 na alimentação principal, 1 na pós-combustão
Valor calórico do hidrogênio produzido: 3,2
Valor calorífico dos gases residuais do reator de produção de hidrogênio (também enviados para as turbinas a gás): 1,5
Produção de eletricidade das duas turbinas a gás: 29,2
Produção de eletricidade da turbina a vapor: 17.2
Eficiência elétrica bruta : 46,4%

No entanto, o consumo próprio da usina deve ser deduzido disso.

Consumo da unidade de produção de oxigênio: -5,7
Diversos: -1,7.

Assim, para 100 joules de combustível, a usina tem uma produção líquida de 39 joules de eletricidade e 3 joules de hidrogênio, para uma eficiência geral de 42%.

Variantes e melhorias

Há uma planta de demonstração de 250 MW no Japão , em Iwaki , que usa gaseificação com ar, não oxigênio. Esta escolha permite eliminar a unidade de produção de oxigênio, por outro lado a presença de nitrogênio aumenta o tamanho do gaseificador e dilui o gás de síntese, que portanto tem um poder calorífico muito menor.

Dependendo do projeto da planta, a unidade de separação de oxigênio pode ser independente ou conectada à turbina a gás (receber ar comprimido dela e retornar nitrogênio para ela).

Diversas melhorias estão planejadas para futuras usinas, o objetivo do Departamento de Energia dos Estados Unidos ( Departamento de Energia dos Estados Unidos , DoE) é chegar ao final de um retorno líquido de 50%.

Uma primeira melhoria é o uso de separação de oxigênio baseada em membranas de separação de gases e não em destilação criogênica. Esta solução consome menos energia e pode, segundo o DoE, melhorar o desempenho em 2 pontos. Limpar o gás de síntese quente conservaria o calor do gás de síntese para as turbinas e também poderia melhorar ligeiramente a eficiência.

Além disso, qualquer melhoria feita em usinas de ciclo combinado (turbinas a gás, caldeiras de recuperação e turbinas a vapor) também pode beneficiar uma usina de gaseificação integrada.

Em relação ao controle da poluição , a captura de mercúrio , único poluente ainda não tratado, foi instalada em uma das últimas usinas da CCGI construída, em Kingsport ( Tennessee ). As emissões de mercúrio são reduzidas em 95%.

Sequestro de CO 2

Em última análise, o princípio da planta CCGI pode ser adaptado para integrar o sequestro de CO 2 . Isso envolve adicionar antes da turbina a gás um reator químico convertendo monóxido de carbono em hidrogênio e dióxido de carbono (reação do gás com água ) e um dispositivo para separar o CO 2 (que é enviado para o local de sequestro) e o hidrogênio que alimenta o ciclo combinado usina elétrica. O rendimento seria reduzido em vários pontos.

Benefícios

Meio Ambiente

Ao contrário de uma usina convencional a carvão, onde poluentes como o enxofre são capturados na exaustão da caldeira, aqui eles são removidos a montante da turbina a gás. Esta despoluição de pré- combustão é muito eficaz. Além disso, uma turbina a gás produz menos óxidos de nitrogênio do que uma caldeira. Assim, uma planta de gaseificação integrada tem níveis de emissão de poluentes locais, como SO 2 , NO x , ozônio, mercúrio, micropartículas e compostos orgânicos, que podem ser reduzidos a níveis inferiores aos das melhores caldeiras., Aproximando-se do nível de um natural usina de gás. Por outro lado, na ausência de sequestro, as emissões de CO 2 permanecem idênticas às de qualquer outra usina a carvão de igual eficiência.

Combustíveis

A versatilidade das gaseificações e a eficiência na extração de poluentes permitem a utilização de uma grande variedade de combustíveis: carvões e linhitos de diferentes qualidades, resíduos de refino de petróleo ( coque de petróleo , asfalto etc.), biomassa , etc.

Multiprodução

O gás de síntese é uma matéria-prima petroquímica. Assim, é possível combinar a produção de eletricidade com diversos produtos auxiliares, como o hidrogênio, o metanol e o etileno . Esses produtos são geralmente feitos de gás natural.

Referências

Bibliografia

Arquivo B8920 Tecnologia de gaseificação integrada em um ciclo combinado , Michel Klaeylé e Férid Nandjee,Abril de 1997, Edições técnicas do engenheiro , Resumo .